當歸干燥室設計及流場仿真分析

常瑞虎，劉柯楠

(1.蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)(2.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西 咸陽 712100)

1 當歸干燥工藝問題的提出

當歸是最常用的中藥之一，具有補血和血、調經止痛、潤燥滑腸、抗癌、抗衰老、免疫之功效。因產地不同有秦歸(甘肅產)、云歸(云南產)、川歸(四川產)之分[1]。秦歸以岷縣“岷歸”最為有名。

據報道，2013年岷縣當歸種植面積達15.12萬畝，產量2.93萬t，在種植面積不斷擴大的同時，倉貯能力也在不斷增強，全縣藥材倉貯能力達3.83萬t[1]。在政府的大力引導、支持下當歸種植面積不斷擴大，已成為當地主導產業并為農民增加了收入。影響當歸質量的重要因素之一就是當歸的加工，所以研究當歸的加工方法及干燥工藝技術，可提高當歸品質，從而增加經濟效益[2]。

2 干燥室的建模

熱風由風機送入送風道后將沿著半弧形流道流經物料表面帶走物料中的水分，再由排風機排出。本文所設計的干燥室的特點有：1)熱風進口數大于1，盡量保證被干物料受熱的均勻性；2)進出口在同一側，且將添加物料處放在干燥介質出口處，保證干燥介質質量。

干燥室的尺寸設計為2 000mm×2 000mm×2 000mm，物料架的尺寸設計為1 600mm×2 000mm×1 200mm，物料架間距為120mm。

本文使用Pro/E軟件繪制干燥室的三維模型，如圖1所示。

圖1 三維模型

3 數值模擬

3.1 CFD數值模擬簡述

計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)是以計算機為工具，應用各種離散化的數學方法，對流體力學的各類問題進行數值實驗、計算機模擬和分析研究流體的速度場、溫度場、壓力場等參數分布的方法[5-9]。模擬流程簡圖如圖2所示。

3.2 控制方程

根據流體力學的相關知識，可知干燥室內熱空氣為穩態的黏性流動，當風速較小時，密度變化很小可以忽略，這樣可以近似認為氣體是不可壓縮的。因此，假設流體為不可壓縮流體，氣體黏性系數為常數，干燥室內熱空氣流動狀態滿足連續性方程和動量守恒方程。

圖2 模擬流程簡圖

連續性方程：

(1)

動量守恒方程為：

(2)

本文選用目前應用最廣泛的標準κ-ε湍流模型。

湍流動能方程為：

命題 4.2 μ, Μ(B,K)是Rd上正交測度框架測度且 令ν=(μ+ν1)°Sμ, 則ν為μ的近似對偶測度框架。

(3)

湍流動能耗散率ε方程為：

(4)

式中：xi,xj,xk為坐標分量；ρ為流體密度，kg/m3；ui，uj，uk為流體質量，kg；p為流體微元上的壓力，N/m2；μ為流體動力黏度，N·s/m2；μt為渦黏性系數;Cb為經驗常數;Gb為渦運動黏性系數;δij為函數，當i=j時，δij=1,當i≠j時，δij=0；Sε為自定義項;t為時間;G1ε,G2ε,G3ε,σε為湍流系數,G1ε=1.44，G2ε=1.92，G3ε=0.09，σκ=1.0，σε=1.3。

3.3 劃分網格、設置邊界條件

本文應用前置處理軟件GAMBIT對干燥室劃分網格，再把網格導入后置處理軟件FLUENT中進行計算。邊界條件及參數設置見表1[5-14]。

表1 邊界條件及參數設置

假設干燥室的物料架上堆滿了濕的當歸，外部空氣經加熱后達到當歸的適宜干燥溫度45℃左右，送風機以2.1m/s的速度將熱空氣送入送風道。模擬過程中入口采用2.1m/s的速度進入邊界，出口采用無回流的壓力出口邊界，所以假設出口表壓為0。

4 模擬結果及分析

圖3為45℃左右熱空氣進入干燥室時干燥室內氣流的溫度分布圖。從圖可以看出，物料層區溫度分布不均勻且在軸線附近出現明顯的分層現象。氣流經過中間物料層附近溫度可達到43℃，靠近進風通道的物料層附近溫度要低一些，大約為39℃。

圖3 溫度場云圖

圖4為熱空氣以2.1m/s進入干燥室時干燥室內氣流的速度流場圖。從圖可以看出，空氣在進風口進入，達到壁面后局部速度明顯減小且產生渦旋，在弧形壁面處速度達到最低(0.2m/s)，然后空氣以較快的速度流經物料表面層。通過中間物料層的熱空氣速度比進風口速度大且達到4.2m/s；同時經過上、下物料表面時風速比進風口速度小，為0.5m/s。

圖4 速度場云圖

為了改善干燥室內溫度、速度的分布效果，在與物料架平行的轉角處添加了導風板。如表2所示，本文設計了3種導風板的布置形式，分別是并排式、左傾式和右傾式，導風板的設計尺寸為200mm×2 000mm×20mm。并排式即從上往下一字排開，左端距離干燥室壁面250mm，相鄰導風板垂直距離為200mm(每種布置垂直距離保持不變)；左傾式是向左有一定傾角(傾角20°)；右傾式則相反。現將設計好的導風板加入到干燥室模型中，在FLUENT軟件中進行模擬。右傾式導風板加到干燥室模型中模擬效果較好，改善后溫度分布如圖5所示，從云圖可以看出，熱風經過物料層表面時溫度基本保持在40℃。

表2 導風板的布置形式

圖5 改善后溫度場云圖

改善后速度分布云圖如圖6所示，從圖可以看出，熱空氣流經物料層表面時速度在3m/s左右，說明添加導流板可以較好地改善熱空氣流經物料層表面的速度、溫度的均勻性。

圖6 改善后速度場云圖

5 結束語

本文設計了能夠合理分配室內空氣氣流組織的氣流通道干燥室，運用CFD數值模擬干燥室內氣流場的分布。針對當歸干燥過程中氣流的不均勻性，運用導流板改善干燥室內氣流的分布。由模擬結果可得，改善后干燥室內氣流分布基本均勻，可以運用在當歸的熱風干燥中,同時也為當歸干燥室的設計提供一定參考。